一种具有压应力刺激功能的生物培养系统的制作方法

本实用新型涉及细胞培养、组织工程技术领域，更具体地，涉及一种具有压应力刺激功能的生物培养系统。

背景技术：

传统药物测试时分为体内和体外两种方法，体外方法是将测试细胞例如肿瘤细胞在培养瓶内扩增，待其增殖至一定的数量后进行药物测试，此种方法简单可靠，但是这种方法也有以下不足之处：1)培养瓶、培养皿等培养器材，细胞在其表面的生长条件为二维环境，因为与体内三维环境迥异，在实际应用中随着培养代数的增加测试细胞的生长特性会有所改变，耐药性也会有不同；2)长时间培养过程中，反复打开培养瓶进行换液、传代等操作就大大增加了污染的风险。

体内测试方法是将肿瘤细胞或者是肿瘤组织移植进免疫缺陷小鼠的体内，待其长至一定的程度然后进行药物测试，但是这种方法成瘤率较低、成瘤时间较长(2到3个月)且成本较高(5万元左右)，这三种原因导致其也无法进行大规模的药物测试。并且成瘤时间较长再加上后续的药物测试时间，即使有患者选择了做此项测试也很有可能会错过最佳的用药窗口。

技术实现要素：

为克服上述药物测试存在的不足，本实用新型提供一种具有压应力刺激功能的生物培养系统。本实用新型可以为细胞提供动态的培养环境，刺激肿瘤细胞的快速增殖，通过多种可调因素调节至最优继而提高成瘤率，减少成瘤时间。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种具有压应力刺激功能的生物培养系统，其中，包括储液瓶、蠕动泵、三通阀、注射泵和培养单元，所述储液瓶通过管路与所述蠕动泵一端连接，所述蠕动泵另一端通过管路与所述三通阀第一通路连接，所述三通阀的第二通路与所述培养单元的入口连接，所述培养单元的出口通过管路与所述储液瓶连接，所述三通阀的第三通路与所述注射泵通过管路连接，所述培养单元的出口处设有阀门。这样，储液瓶、蠕动泵和培养单元就形成了一个循环回路，储液瓶内盛装的是用于培养细胞的培养基。该生物培养系统包括两套动力源来驱动管路内的培养基，在使用时，培养单元内放置含细胞培养物，所述含细胞培养物为肿瘤细胞或肿瘤组织与饲养层细胞在静电纺丝膜上共同组成的共培养体系。对含细胞培养物进行日常培养时，使用蠕动泵让储液瓶中的培养基在储液瓶、蠕动泵和培养单元形成的循环回路中，以脉动流循环流动；进行压力刺激培养时，关闭蠕动泵通路和培养单元出口处的阀门，使得培养单元形成封闭空间，然后通过注射泵推动液路内的培养基对培养单元内的含细胞培养物进行压力刺激。因为有文献及临床资料表明，机械应力的刺激会提高肿瘤细胞的增殖效率，因此本发明就通过周期性的压应力刺激来促使肿瘤细胞在初期快速增殖，待其增殖至一定程度后，就开启日常培养模式，使用蠕动泵产生的脉动流来模拟体内的动脉血流，达到更加仿生的效果。

进一步的，本实用新型的生物培养系统还包括三气培养箱，所述储液瓶和培养单元均设在所述三气培养箱内部。当然，如果三气培养箱的体积够大的话，蠕动泵和注射泵也可以放进三气培养箱内部。三气培养箱除了可以对常规的湿度、温度进行调整以适应测试细胞的生长外，还可以精确对培养箱内部的氧气、二氧化碳和氮气浓度进行控制。有研究表明，体内肿瘤因为快速增殖，在肿瘤内部的氧分压会较正常组织更低，为了模拟体内的真实环境，本系统采用了三气培养箱以便对内部的氧浓度进行调整。

进一步的，所述培养单元包括依次设置的底层通道板、中间层盖板和顶层盖板，所述底层通道板上设有至少一条培养通道。所述中间层盖板通过键合方式与底层通道板结合在一起，顶层盖板通过螺钉固定安装在中间层盖板上。

进一步的，所述培养通道包括培养池、与所述培养池一端连通的入液口、以及与所述培养池另一端连通的出液口，所述三通阀设在所述中间层盖板上与所述各培养通道的入液口对应的位置，所述阀门设在所述中间层盖板上与所述各培养通道的出液口对应的位置。阀门安装在各培养通道的出液口对应的位置，是为了在进行压力刺激培养时，关闭液路；在日常培养时，阀门处于打开状态保证培养基在管路内的循环流动。培养池为长方体，其尺寸长为5-20mm，宽为1-10mm，高为1-10mm。

进一步的，所述各培养通道的入液口均包括相互连通的第一入液口和第二入液口，所述三通阀设在所述中间层盖板上与所述各培养通道的第一入液口和第二入液口的交叉处对应的位置，所述三通阀第一通路与所述第一入液口连通，所述三通阀第二通路与所述培养池连通，所述三通阀第三通路与所述第二入液口连通。所述蠕动泵通过管路与所述第一入液口连通，所述注射泵通过管路与所述第二入液口连通。在日常培养时，第一入液口打开，第二入液口关闭；在压力刺激培养时，第一入液口关闭，第二入液口打开。

本实用新型中，三通阀和阀门的工作状态如下：在日常培养时，阀门打开，三通阀的第一入液口打开，第二入液口关闭；在压力刺激培养时，阀门关闭，三通阀的第一入液口关闭，第二入液口打开。

进一步的，所述中间层盖板上与所述培养池对应的位置设有检测窗口，所述顶层盖板设在所述检测窗口上，所述顶层盖板上设有压力传感器。压力传感器能够实时监测培养池内的液体压力。

优选的，所述底层通道板、中间层盖板和顶层盖板均由具有透光性能和生物相容性均优秀的合成高分子材料制成。例如：聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，或聚二甲基硅氧烷(pdms)。

优选的，本实用新型的生物培养系统还包括控制单元，所述三通阀为电磁三通阀，所述阀门为电磁阀，所述蠕动泵、三通阀、注射泵、阀门和压力传感器均与所述控制单元连接，三通阀、阀门和压力传感器的动作均由控制单元统一控制。

进一步的，所述静电纺丝膜由合成高分子通过高压静电原理制造的纳米微丝构成。构成静电纺丝膜的材料有聚乳酸(pla)、聚氨酯(pu)、聚己内酯(pcl)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)、尼龙，以及纤维素、胶原和明胶等。肿瘤细胞或肿瘤组织与饲养层细胞在静电纺丝膜上可以共同种植在同一侧，也可以种植在静电纺丝膜的两侧。肿瘤细胞包括脑胶质瘤细胞、肺癌细胞、鼻咽癌细胞、食管癌细胞、胃癌细胞、大肠癌细胞、肝癌细胞和乳腺癌细胞等，肿瘤组织是指从患者体内提取的肿瘤组织，经伦理委员会审核及患者同意应用于研究，这些肿瘤组织切碎为0.2-5mm²且厚度不超过1mm的细长条进行培养，包括脑胶质瘤、肺癌、鼻咽癌、食管癌、胃癌、大肠癌、肝癌和乳腺癌等，饲养层细胞包括子宫上皮细胞和成纤维细胞等。

进一步的，所述储液瓶和蠕动泵之间的管路上还设有ph计和氧浓度计。ph计和氧浓度仪可以实时监测培养液里面的ph值和溶氧浓度，保证待培养细胞良好的生存条件。

进一步的，所述注射泵推动的速率设有多种模式，通过不同模式的移动速率对培养单元内部培养的细胞形成不同的压力刺激。注射泵推动的速率模式具体包括如下几种：第一种，压力为梯形图，注射泵首先恒速前进到达最大设定值时，保持位置一段时间，然后再恒速推后到初始位置，反复循环；第二种，压力为三角形，注射泵在恒速前进到达最大设定值时不停留，直接恒速返回；第三种，压力为正弦曲线，注射泵首先以一定的加速度前进到达最大设定值，不停留，然后直接以相同的加速度返回。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供了两套动力源来驱动管路内的培养基，日常培养时阀门打开，形成循环通路，使用蠕动泵驱动培养基形成脉动流，可以为细胞提供动态的培养环境；压力刺激培养时，三通阀关闭蠕动泵通路，且和出口阀门同时关闭形成封闭空间，通过注射泵推动液路内的培养基对细胞进行压力刺激；并且，通过调节注射泵的推进速率就可以设置不同的压应力刺激方案，继而刺激肿瘤细胞的快速增殖，通过多种可调因素调节至最优，继而提高成瘤率，减少成瘤时间。

本实用新型中的含细胞培养物为肿瘤细胞与饲养层细胞在静电纺丝膜上共同组成的共培养体系，可以为肿瘤细胞提供与饲养层细胞共培养的环境，静电纺丝膜可以为肿瘤细胞或肿瘤组织的生长提供三维微环境，更加的仿生，有利于肿瘤细胞的增值及成瘤。

本实用新型的生物培养系统进行肿瘤药物测试较肿瘤体内药物测试的价格要更低，操作更为可控。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型培养单元的结构示意图。

图3是本实用新型培养单元的爆炸示意图。

图4是本实用新型中注射泵推动的速率第一种模式的速率曲线图。

图5是本实用新型中注射泵推动的速率第二种模式的速率曲线图。

图6是本实用新型中注射泵推动的速率第三种模式的速率曲线图。

图7是本实用新型实施例1中含细胞培养物的结构示意图。

图8是本实用新型实施例2中含细胞培养物的结构示意图。

图9是本实用新型实施例3中含细胞培养物的结构示意图。

图10是本实用新型实施例4中含细胞培养物的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，一种具有压应力刺激功能的生物培养系统，其中，包括储液瓶1、蠕动泵2、三通阀3、注射泵4和培养单元5，所述储液瓶1通过管路与所述蠕动泵2一端连接，所述蠕动泵2另一端通过管路与所述三通阀3第一通路连接，所述三通阀3的第二通路与所述培养单元5的入口连接，所述培养单元5的出口通过管路与所述储液瓶1连接，所述三通阀3的第三通路与所述注射泵4通过管路连接，所述培养单元5的出口处设有阀门7。这样，储液瓶1、蠕动泵2和培养单元5就形成了一个循环回路，储液瓶1内盛装的是用于培养细胞的培养基溶液。该生物培养系统可以使用两套动力源来驱动管路内的培养基，在使用时，培养单元5内是放有含细胞培养物的，所述含细胞培养物为肿瘤细胞20与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上组成的共培养体系。对含细胞培养物进行日常培养时，使用蠕动泵2让储液瓶1中的培养基在储液瓶1、蠕动泵2和培养单元5形成的循环回路中以脉动流循环流动；进行压力刺激培养时，关闭蠕动泵2通路和培养单元5出口处的阀门7，使得培养单元5形成封闭空间，然后通过注射泵4推动液路内的培养基对培养单元5内的含细胞培养物进行压力刺激。因为有文献及临床资料表明，机械应力的刺激会提高肿瘤细胞20的增殖效率，因此本发明就通过周期性的压应力刺激来促使肿瘤细胞20在初期快速增殖，待其增殖至一定程度后，就开启日常培养模式，使用蠕动泵2产生的脉动流来模拟体内的动脉血流，达到更加仿生的效果。

如图1所示，本实施例的生物培养系统还包括三气培养箱8，所述储液瓶1和培养单元5均设在所述三气培养箱8内部。三气培养箱8除了可以对常规的湿度、温度进行调整以适应肿瘤细胞的生长外，还可以精确对培养箱内部的氧气、二氧化碳和氮气浓度进行控制。有研究表明，体内肿瘤因为快速增殖，在肿瘤内部的氧分压会较正常组织为低，为了模拟体内的真实环境，本系统采用了三气培养箱8以便对内部的氧浓度进行调整。

如图2和图3所示，所述培养单元5包括依次设置的底层通道板9、中间层盖板10和顶层盖板11，所述底层通道板9上设有三条培养通道。所述中间层盖板10通过键合方式与底层通道板9结合在一起，顶层盖板11通过螺钉固定安装在中间层盖板10上。

如图2和图3所示，所述培养通道包括培养池12、与所述培养池12一端连通的入液口、以及与所述培养池12另一端连通的出液口13，所述三通阀3设在所述中间层盖板10上与所述各培养通道的入液口对应的位置，所述阀门7设在所述中间层盖板10上与所述各培养通道的出液口13对应的位置。阀门7安装在各培养通道的出液口13对应的位置，是为了在进行压力刺激培养时，关闭液路；在日常培养时，阀门7处于打开状态保证培养基在管路内的循环流动。培养池12为长方体，其尺寸长为5-20mm，宽为1-10mm，高为1-10mm。

如图2和图3所示，所述各培养通道的入液口均包括相互连通的第一入液口14和第二入液口15，所述三通阀3设在所述中间层盖板10上与所述各培养通道的第一入液口14和第二入液口15的交叉处对应的位置，所述三通阀3第一通路与所述第一入液口14连通，所述三通阀3第二通路与所述培养池12连通，所述三通阀3第三通路与所述第二入液口15连通。所述蠕动泵2通过管路与所述第一入液口14连通，所述注射泵4通过管路与所述第二入液口15连通。在日常培养时，第一入液口14打开，第二入液口15关闭；在压力刺激培养时，第一入液口14关闭，第二入液口15打开。

本实施例中，三通阀3和阀门7的工作状态如下：在日常培养时，阀门7打开，三通阀3的第一入液口14打开，第二入液口15关闭；在压力刺激培养时，阀门7关闭，三通阀3的第一入液口14关闭，第二入液口15打开。

如图3所示，所述中间层盖板10上与所述培养池12对应的位置设有检测窗口16，所述顶层盖板11设在所述检测窗口16上，所述顶层盖板11上设有压力传感器17。压力传感器17能够实时监测培养池12内的液体压力。

本实施例中，所述底层通道板9、中间层盖板10和顶层盖板11均由具有透光性能和生物相容性均优秀的合成高分子材料制成。

如图7所示，所述静电纺丝膜23由合成高分子通过高压静电原理制造的纳米微丝构成。肿瘤细胞20与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上共同种植在同一侧。

如图1所示，所述储液瓶1和蠕动泵2之间的管路上还设有ph计18和氧浓度计19。ph计18和氧浓度计19可以实时监测培养液里面的ph值和溶氧浓度，保证待培养细胞良好的生存条件。

如图4到图6所示，所述注射泵4推动的速率设有多种模式，通过不同模式的移动速率对培养单元5内部培养的细胞形成不同的压力刺激。注射泵4推动的速率模式具体包括如下几种：第一种，压力为梯形图，注射泵4首先恒速前进到达最大设定值时，保持位置一段时间，然后再恒速推后到初始位置，反复循环；第二种，压力为三角形，注射泵4在恒速前进到达最大设定值时不停留，直接恒速返回；第三种，压力为正弦曲线，注射泵4以一定的加速度前进到达最大设定值，不停留，然后直接以相同的加速度返回。

实施例2

本实施例与实施例1类似，其区别在于，本实施例的生物培养系统还包括控制单元6，所述三通阀3为电磁三通阀，所述阀门7为电磁阀，所述三通阀3、阀门7和压力传感器17均与所述控制单元6连接，蠕动泵2、三通阀3、注射泵4、阀门7和压力传感器17的动作均由控制单元6统一控制。本实施例中，蠕动泵2和注射泵4也设置在三气培养箱8内部。本实施例的其他部分与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例2类似，其区别在于，如图8所示，肿瘤细胞20与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上分别种植在其两侧。本实施例的其他部分与实施例2相同。

实施例4

本实施例与实施例2类似，其区别在于，如图9所示，含细胞培养物为肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上组成的共培养体系，肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上共同种植在同一侧。肿瘤组织21是指从患者体内提取的肿瘤组织，经伦理委员会审核及患者同意应用于研究，这些肿瘤组织切碎为0.2-5mm²且厚度不超过1mm的细长条进行培养。本实施例的其他部分与实施例2相同。

实施例5

本实施例与实施例4类似，其区别在于，如图10所示，肿瘤组织21与饲养层细胞22在静电纺丝膜23上种植在其两侧。本实施例的其他部分与实施例4相同。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。